通常，水下潜航器系统由螺旋桨提供动力，在特定的设计巡航速度状态下可保持较高的推进效率，但无法同时在极速和低速时任然保持高推进效率。

相比之下，在自然界中鱼类能够在广泛的速度范围内，保持极高的游动效率，而其中的“秘密”便是它们由肌肉构成的柔性身体。

如果水下航行器想快速地穿越数英里的海洋，当面对不同的水中环境该如何应对？水下航行器可以像鱼那样在水中灵活、自如地行驶吗？

图丨机器金枪鱼尾部内置的弹性调节执行器能根据当前游动速度实时调教尾部弹性（来源：University of Virginia School）

受到鱼类启发，从以往研究中看，科学家以鱼类为灵感设计了柔性机器鱼系统，譬如利用柔性液压驱动器、柔性仿生肌腱来模仿鱼体的解剖学结构。然而，如何选择合适的弹性控制策略却是未知。

弗吉尼亚大学（University of Virginia School）工程与应用科学学院助理教授丹·奎因（Dan Quinn）及其团队，结合生物力学、流体力学和机器人学研发了一种仿生游泳机器人，他们发现了执行水下航行器多速任务的关键策略，这可给未来高性能仿生水下潜航器系统提供新的设计思路。

动图丨机器金枪鱼鱼尾摆动效果（来源：Science Robotics）

该机器人利用可编程的人造肌腱，使机器人在游泳时可以“随心”调整尾巴的刚度，并且在大范围游动时也能灵活地实时变化，还能减少能量消耗。

该研究抓住了水下潜航器系统得以完成变速任务的重要因素——与鱼游泳时摆动尾巴的原理一致，这不仅可以实时自主控制速度，而且还能节省力量。

图丨相关论文（来源：Science Robotics）

8 月 11 日，相关论文以《可调刚度使鱼形机器人能够快速高效地游动》（Tunable stiffness enables fast and efficient swimming in fish-like robots）为题发布在 Science Robotics。

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在研究机器金枪鱼过程中，研究人员一直在讨论“推动机器人在水中前进的零部件到底该有多硬”。奎因表示，“鱼形机器人的尾部刚度就像自行车上的齿轮比，只能以一种速度提高效率。”

他举例说道，“这种情况就如同在山地里骑不能变速的自行车，仅行驶一小段路人们就会感到筋疲力尽。”

图丨奎因（右）与钟强在实验室调节机器金枪鱼（来源：University of Virginia School）

那么，鱼是如何解决这个问题的呢？该团队发现，它们可进行“随心”的刚度调节，并能根据不同情况实时调整到不同的软硬程度。

研究中较棘手的问题是，目前并没有现成方法可以方便测量鱼在游泳时的刚度。因此，科学家很难了解鱼是如何做到“随心”调节刚度的。

于是，研究人员结合流体动力学和生物力学，建立了一个模型以推测如何以及怎样调整尾部刚度。

实验表明，为了最大限度地提高效率，肌肉张力应与游泳速度的平方成正比，从而为类似鱼的机器人提供了一种简单的调整策略。

“令人惊讶的是，从所有的数学计算中得出一个简单的结果——游泳速度的平方会增加硬度。”奎因说。


图丨机器金枪鱼模型基于真实金枪鱼结构和简化数学建模（来源：Science Robotics）

研究人员表示，“为了测试我们的理论，我们建造了一个鱼形机器人，它使用了可编程的人造肌腱，也就是说，其在水中游泳时可调整自己的尾巴刚度。这带来的改变是，我们的机器人可以在更大的的速度范围内游动，同时使用的能量几乎是具有固定刚度尾巴的同一机器人的一半，效果显著。”

结果显示，在类似金枪鱼的频率和速度下（0 到 6 赫兹，每秒 0 到 2 个身体长度），调整刚度可以使游泳效率翻倍。节省能量的幅度随着频率的增加而上升，这表明动态弹性调节策略尤其适用于高速高频率的仿生器机器鱼。

也就是说，用这种方法，机器金枪鱼可以更高效、更快速地游泳。

“我们的工作是首个结合生物力学、流体动力学和机器人技术全面研究尾巴刚度的工作，这有助于揭开尾巴刚度如何影响游泳表现的长期存在的谜团，更奇妙的是，我们不仅专注于理论分析，还专注于提出可调刚度的实用策略。我们提出的可调刚度策略已被证明在现实的游泳任务中是有效的。”该研究第一作者钟强表示。

该团队表示，“我们提出的动态弹性调节方法解决了困扰研究人员多年的柔性仿生机器鱼的性能瓶颈，为未来设计高频率、高速的大型仿生水下航行器提供了理论基础。”

“我认为这并不是我们的终点，我们观察过的每一种水生动物（都）为我们提供了如何建造更好的游泳机器人的新想法，（而）海里还有更多的鱼。”奎因说。

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参考：
https://robotics.sciencemag.org/content/6/57/eabe4088
https://engineering.virginia.edu/news/2021/08/robotic-fish-tail